Se sei mai stato a uno spettacolo aereo, o viveva vicino a una base dell'aeronautica, conosci i boom sonici.

Questi rumori assordanti sono creati da aerei che superano la velocità del suono, circa 767 mph (1234 km/h). spiegano, in parte, perché gli aerei di linea passeggeri solcano i cieli a velocità più lente e meno offensive per l'udito.

L'ingegnere aerospaziale dell'Università di Buffalo, James Chen, sta lavorando per risolvere i problemi associati al superamento della barriera del suono.

"Immagina di volare da New York a Los Angeles in un'ora. Immagina velivoli senza pilota incredibilmente veloci che forniscono informazioni più aggiornate e sfumate sull'atmosfera terrestre, che potrebbe aiutarci a prevedere meglio tempeste mortali, "dice Chen, dottorato di ricerca, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate di UB.

Chen è l'autore corrispondente di uno studio pubblicato il 3 gennaio su Journal of Engineering Mathematics . Lo studio riguarda la teoria cinetica classica del fisico austriaco Ludwig Boltzmann, che utilizza il movimento delle molecole di gas per spiegare i fenomeni quotidiani, come temperatura e pressione.

Il lavoro di Chen estende la teoria cinetica classica all'aerodinamica ad alta velocità, compresa la velocità ipersonica, che inizia alle 3, 836 mph (6173 km/h) o circa cinque volte la velocità del suono. Il nuovo studio e altri di Chen su influenti riviste accademiche tentano di risolvere problemi di vecchia data associati all'aerodinamica ad alta velocità.

Jet passeggeri supersonici

L'idea di aerei passeggeri supersonici non è nuova. Forse il più famoso è il Concorde, che ha volato dal 1976 al 2003. Pur avendo successo, era perseguitato da lamentele per il rumore e costosi costi operativi.

Più recentemente, Boeing ha annunciato i piani per un aereo di linea ipersonico e la NASA sta lavorando a un progetto supersonico chiamato QueSST, abbreviazione di Quiet Supersonic Technology.

"La riduzione del famigerato boom sonico è solo l'inizio. Nel volo supersonico, dobbiamo ora rispondere all'ultimo problema irrisolto della fisica classica:turbolenza, "dice Chen, il cui lavoro è finanziato dal programma Young Investigator dell'aeronautica statunitense, che supporta ingegneri e scienziati che mostrano capacità eccezionali e promettono di condurre ricerche di base.

Per creare più efficiente, aerei meno costosi e più silenziosi che superano la barriera del suono, la comunità di ricerca ha bisogno di capire meglio cosa sta succedendo con l'aria che circonda questi veicoli.

"Ci sono così tante cose che non sappiamo sul flusso d'aria quando raggiungi velocità ipersoniche. Ad esempio, i vortici si formano attorno all'aereo creando turbolenze che influenzano il modo in cui gli aerei si manovrano attraverso l'atmosfera, " lui dice.

Teoria del morphing continuo

Per risolvere questi complessi problemi, i ricercatori hanno storicamente utilizzato gallerie del vento, che sono laboratori di ricerca che replicano le condizioni che i veicoli incontrano mentre sono in aria o nello spazio. Pur essendo efficace, questi laboratori possono essere costosi da gestire e mantenere.

Di conseguenza, molti ricercatori, compreso Chen, si sono orientati verso le simulazioni numeriche dirette (DNS).

"Il DNS con il calcolo ad alte prestazioni può aiutare a risolvere i problemi di turbolenza. Ma le equazioni che abbiamo usato, basato sul lavoro di Navier e Stokes, sono essenzialmente non validi a velocità supersoniche e ipersoniche, "dice Chen.

Il suo lavoro in Journal of Engineering Mathematics si concentra sulla teoria del morphing continuo (MCT), che si basa sui campi della meccanica e della teoria cinetica. MCT mira a fornire ai ricercatori equazioni computazionalmente amichevoli e una teoria per affrontare i problemi con la turbolenza ipersonica.

"Il Center for Computational Research di UB fornisce una piattaforma perfetta per me e il mio team presso il Multiscale Computational Physics Lab per perseguire questi difficili problemi di aerodinamica ad alta velocità con il calcolo ad alte prestazioni, "dice Chen.

In definitiva, il lavoro potrebbe portare a progressi nel modo in cui vengono progettati gli aerei supersonici e ipersonici, tutto, dalla forma del veicolo ai materiali di cui è fatto. L'obiettivo. il gol, lui dice, è una nuova classe di aerei che sono più veloci, più tranquillo, meno costoso da utilizzare e più sicuro.